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Sind Silizium-Schwefel-Akkus besser als Lithium-Ionen-Batterien?

Mit seinem enormen Speicherpotential hätte Silizium entscheidende Vorteile gegenüber Materialien in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Ein Forschungsteam der Kieler CAU hat mit Rena Technologies hochleistungsfähige Siliziumanoden entwickelt, die in Kombination mit Schwefel-Kathoden eine zwei- bis dreimal höhere Energiedichte und bis zu 90 Prozent kürzere Ladezeiten erreichen, bei bis zu 20 Prozent geringerem Gewicht.

Ein Ätzverfahren verleiht den ursprünglich blanken Siliziumscheiben eine poröse Oberfläche, die sich besonders gut mit einer Kupferelektrode verbinden lässt. (Foto: Julia Siekmann, Universität Kiel)

Ein Ätzverfahren verleiht den ursprünglich blanken Siliziumscheiben eine poröse Oberfläche, die sich besonders gut mit einer Kupferelektrode verbinden lässt. (Foto: Julia Siekmann, Universität Kiel)

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge – Entwicklungen wie die Elektromobilität oder die Miniaturisierung von Elektronik stellen neue Anforderungen an Akkus. Mit seinem enormen Speicherpotential hätte Silizium entscheidende Vorteile gegenüber Materialien in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Ein Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat in Zusammenarbeit mit der Firma Rena Technologies GmbH hochleistungsfähige Siliziumanoden entwickelt.

In Kombination mit Schwefel-Kathoden erreichen sie eine zwei- bis dreimal höhere Energiedichte, bis zu 90 Prozent kürzere Ladezeiten und 20 Prozent geringeres Gewicht. Neben der Elektromobilität könnte das neue Akkukonzept auch für Anwendungen im Mobilfunk, Schiffbau sowie als stationärer Zwischenspeicher für z.B. Solar- und Windkraftanlagen interessant sein.

Dank der besonders hohen Energiedichte von Silizium könnten Elektroautos weitere Strecken fahren, Akkus von Mobiltelefonen schneller aufladen und wären schwerer entflammbar. „Doch bisher war das Halbleitermaterial zu empfindlich, um es in großem Maßstab in Akkus einzusetzen“, sagt Materialwissenschaftlerin Dr. Sandra Hansen. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen im Akku zwischen Anode und Kathode hin und her. Da Silizium besonders viele Lithium-Ionen aufnehmen kann, dehnt es sich um 400 Prozent aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts "Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern (PorSSi)" entwickelt ein Forschungsteam um Hansen gemeinsam mit der Firma RENA Technologies GmbH zurzeit leistungsfähige Siliziumanoden, Schwefelkathoden sowie ein Konzept für ihre kostengünstige industrielle Herstellung. Durch gezieltes Strukturieren seiner Oberfläche auf Mikroebene ist es ihnen bereits gelungen, Silizium als dünne Drähte herzustellen.

„In dieser Form kann sich Silizium weitaus flexibler verhalten und der hohen Belastung beim Aufladen standhalten“, sagt Hansen. Doch die Herstellung der Drähte ist bisher mit hohen Kosten verbunden. Für eine weitaus günstigere Lösung ohne zusätzliche Prozessschritte entwickelten Hansen und Rena Technologies die Anoden jetzt aus hochporösem Silizium, das einen ähnlichen Effekt hat, und zurzeit in ersten Vollzellen getestet wird.

Die Siliziumanoden aus Kiel können je nach individuellen Anforderungen maßgeschneidert hergestellt werden. Den Gegenpart des neuen Batteriekonzepts bildet mit einer Kathode aus Schwefel ein weiteres Material mit einem sehr hohen Speicherpotential. So wird das Speicherpotential von Silizium komplett ausgeschöpft. Aber auch NMC-Kathoden (Nickel-Cobalt-Mangan) aus klassischen Lithium-Ionen-Systemen sind mit den entwickelten Siliziumanoden kompatibel.

Dank der Zusammenarbeit mit der Industrie fließen die Forschungserkenntnisse direkt in die Entwicklung von neuen Ätzungsanlagen. „Aktuell sind wir auf der Suche nach weiteren Partnern aus Industrie und Wissenschaft, um gemeinsam Akkus für individuelle Anwendungen zu entwickeln“, sagt Hansen. „Besonders spannend ist für uns Know-how und Infrastruktur zu Elektrolytsystemen für Schwefel-Luft, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft- und Lithium-Ionen-Technik.“ Als zukünftige Leiterin eines Batterielabors, das zurzeit an der Technischen Fakultät der CAU entsteht, will sie dort Siliziumanoden und Schwefelkathoden hochskalieren, um so Prototypen anzufertigen, abgestimmt auf die jeweiligen Bedarfe von Unternehmen.

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"Sind Silizium-Schwefel-Akkus besser als Lithium-Ionen-Batterien?" wurde am 02.04.2019 verfasst